輻照介質的裝置和方法與流程

2023-12-09 10:02:56 4

相關申請的交叉引用

本申請要求於2009年9月24日提交的美國專利申請No.12/566,592的優先權，該美國專利申請的全部內容通過引用併入本文。

技術領域

本發明涉及一種用於輻照介質的裝置和方法。

背景技術：

光散射是可能阻礙、甚至阻止查看散射過程為主導的介質的內部或者通過散射過程為主導的介質進行查看的基本事件之一。這是因為散射光不沿通過介質的直線傳播，散射光的隨機路徑引起光的方向性及其相關聯的信息的損失。因此，可能難以通過檢測散射或漫射的可見光來提取關於在其中發生這樣的散射的介質的詳細內部信息。例如，在處理生物組織的醫學應用中，在使光通過組織時所發生的散射可能使得難以通過檢測散射光來獲得內部信息。

另外，還存在下述增長的需求，即，能夠使光能集中在散射介質中的目標位置處，例如以使得可在光動力治療中處理異常組織，以及實現迄今為止在有意無序的隨機材料中不可獲得的獨特的、有前景的功能。

直到最近還沒有實現使光聚焦在散射介質內部的一個點處或者使光通過散射介質聚焦在一個點處的能力。然而，最近幾年，提出了優化入射光的波前以抑制散射效應的技術。

在美國專利申請公開No.2009/0009834中，公開了一種光學相位共軛技術，該技術可用於通過全息記錄材料來記錄透射通過散射介質的散射光的波前，並且產生相位共軛波，該相位共軛波的相位基本上與所記錄的波前的相位相反。產生相位共軛波，以使得它被構造為進入散射介質並且可通過散射介質查看。

由於彈性光學散射是確定性的且時間可逆的過程，所以光學相位共軛可使其軌跡通過散射介質折回到其原始入射點。如美國專利申請公開No.2009/0009834中所公開的方法利用這種能力，這種能力可有效地抑制散射效應並且提高散射介質的所獲得圖像的空間解析度。

然而，美國專利申請公開No.2009/0009834公開了其中所述的光學相位共軛方法僅能夠使光聚焦在散射介質正後面的、入射光最初射入的區域處。因此，如其中所述的，該方法不能任意地使光聚焦在散射介質內部的任何特定點處。然而，美國專利申請公開No.2009/0009834進一步建議，可以使用其中所述的相位共軛方法來照射引起介質內部的強前向散射的特定散射體中的一些。

然而，僅當介質的散射屬性如此低以至於可以認為散射僅在介質中的強散射體所在的幾個特定點處發生時，這種情形才可適用。另外，可能需要知道所述特定點(位置)，以便能夠在更多的應用(諸如成像或治療)中利用這種聚焦效應。

在許多情況下，諸如在包括生物組織的高散射介質中，這種情形是不實用的。例如，在強散射介質中，其中可發生的多個散射過程可能使得指定哪些散射體為主導並且是主要引起前向散射的原因非常困難(有時候，散射可能甚至不在前向方向上)。因此，可能難以使用光學相位共軛來使通過多個散射過程創建的光路折回和照射該光路。這樣的多個散射過程可能由於例如在介質中存在過多散射體而引起。

此外，因為即使當光聚焦在「強散射體」的大致附近時，「強散射體」在介質內部的位置通常也是未知的，所以確定光學相位共軛折回以聚焦在這樣的散射介質中的精確位置是有挑戰性的。

因此，這些要點是在散射介質中應用相位共軛法所要考慮的。

技術實現要素：

本發明的實施例提供用於輻照介質的裝置和方法。

根據本發明的一方面，一種裝置包括：第一輻照單元，其包括發射電磁波的電磁波源，以用在介質中散射的所述電磁波輻照所述介質；超聲器件，其將超聲波發送到所述介質，以在所述介質中的某位置處對所述電磁波的頻率進行調製；和第二輻照單元，其用參考波輻照全息材料，以記錄與由調製的電磁波與參考波之間的幹涉產生的幹涉圖案對應的信息。在所述信息被記錄在所述全息材料上之後，所述第一輻照單元被構造為輻照所述全息材料，以使得所述全息材料產生重構波，所述重構波在所述介質中的所述位置處輻照所述介質。

根據本發明的另一方面，一種裝置包括：第一輻照單元，其包括第一電磁波源，以用在介質中散射的電磁波輻照所述介質；超聲器件，其將超聲波發送到所述介質，以在所述介質中的某位置處對所述電磁波的頻率進行調製；第二輻照單元，其用參考波輻照全息材料，以記錄與由調製的電磁波與參考波之間的幹涉產生的幹涉圖案對應的信息；和第三輻照單元，其包括第二電磁波源，以輻照所述全息材料使得所述全息材料產生在所述介質中的所述位置處輻照所述介質的重構波。

根據本發明的另一方面，一種方法包括：用電磁波輻照介質，所述電磁波在所述介質中散射並且在所述介質中的某位置處被調製頻率；獲得與由調製的電磁波和參考波之間的幹涉產生的幹涉圖案對應的信息；和基於所獲得的信息來產生輻照所述介質的相位共軛波。

根據本發明的另一方面，一種裝置包括：輻照器，其包括發射電磁波的電磁波源，以用在介質中散射的所述電磁波輻照所述介質；調製器，其在所述介質中的某位置處對所述電磁波的頻率進行調製；探測器，其獲得與由調製的電磁波與參考波之間的幹涉產生的幹涉圖案對應的信息；和產生器，其基於所獲得的信息來產生輻照所述介質的相位共軛波。

從以下參照附圖對示例性實施例的描述，本發明的進一步特徵將變得明白。

附圖說明

圖1A示出散射介質中的多個散射光。

圖1B示出散射介質中的頻移光的「重發射」。

圖1C示出聚焦在散射介質中的光。

圖2A示出第一步(記錄處理)的布置。

圖2B示出第二步(用於輻照的再現處理)的布置。

圖3A示出示例性實施例中的第一步的布置。

圖3B示出示例性實施例中的第二步的布置。

圖4示出另一示例性實施例的布置。

圖5示出示例性操作流程。

圖6示出另一示例性實施例的布置。

具體實施方式

以下將參照附圖對根據本發明的實施例進行描述。

圖1A示出散射介質101中的多個光散射和位置102。在位置102處，可對入射光束100的頻率進行調製。一旦入射光束100進入包括散射粒子199的散射介質101，光100就在介質101中的整個傳播期間經歷多次散射，並且最終作為散射光103從介質101的表面射出。此時，入射光100的一部分可到達位置102，並且可在位置102處被調製頻率。例如，超聲波可用於在所述位置處對入射光100的頻率進行調製。可替換地，可利用可在介質中的某局部位置處對入射光的頻率進行調製的手段來代替超聲波。

在稱之為聲光成像或超聲調製斷層成像的技術中，當散射介質101被超聲波輻照時，該介質的折射率被調製，並且另外，所施加的超聲波的頻率引起散射介質101中的散射體的位移。一旦入射光100的所述部分到達在介質101中的所述位置處的超聲輻照體(irradiated volume)，該光的光學相位可被超聲波的頻率調製，這引起光的頻率偏移。

圖1B示出在介質101中的交互(頻移)光104的產生和傳播。超聲波的頻率使交互光104的頻率偏移(被調製)。因此，光104的頻率不同於入射光100和沒有被超聲波調製的散射光103。起源於位置102處的超聲輻照體的該頻移光104在經歷多次散射的同時保持傳播，並且從介質101射出。

換句話講，位置102處的超聲輻照體的作用可以如同在散射介質101內部存在產生頻率不同於原始光的光的另一光源一樣。該頻移光104顯然起源於位置102處的超聲輻照體。

一旦主要與該頻移光104對應的波前被記錄並且通過其相位共軛105被重放，該相位共軛就可使其軌跡折回，並且到達圖1C中所示的位置102或者朝向位置102行進。為了實現相位共軛(即，重構波、相位共軛波)，可利用全息技術。在全息技術中，可將由調製光與參考波之間的幹涉引起的幹涉圖案記錄在全息材料中，並且還可通過光電探測器(諸如CCD傳感器和CMOS傳感器)檢測幹涉圖案。通過光電探測器檢測幹涉圖案的技術稱之為數字全息技術。相位共軛波可基於所獲得的與幹涉圖案對應的信息來產生。例如，如本文在後一部分中所提及的，當幹涉圖案被記錄在全息材料中時，可通過泵浦光來產生共軛波。另一方面，如本文第四實施例中所述的，當通過陣列傳感器獲得所述信息時，可通過使用產生器(諸如空間光調製器)來產生共軛波。

使輻照聚焦在散射介質中的方法通常可涉及兩個步驟。第一步是記錄步驟，第二步是再現(重構)步驟。

圖2A顯示用於第一步的布置的說明性示圖。相干光源200發射初始光束。該初始光可被分束器201分離為入射光束211和參考光束212。通常，光源200所發射的波長的範圍可為從可見光(可見射線)到近紅外光(近紅外射線)。例如，發射從大約380nm到大約2500nm(諸如從400nm到1500nm)的波長的電磁波源可用作光源200。

外部調製器(諸如聲光調製器(AOM)202和204)可獨立地用下述頻率的時鐘來驅動，所述頻率被調整以使得它們之間的頻率差大致等於施加於超聲系統207的頻率。例如，如果AOM 202的頻率為f1(＝70MHz)並且超聲的頻率為fa(＝2MHz)，則AOM 204的頻率f2為f1+fa(＝72MHz)。入射光束211和參考光束212分別通過AOM202和AOM 204。

調整這些AOM的調製頻率的另一種方式是，可將AOM 202放置在參考光束212的路徑上，而不是入射光束211的路徑上。因此，參考光束212可通過兩個AOM，而入射光束211不通過AOM。第一AOM的頻率可被設置為例如f1＝-70MHz，第二AOM的頻率可被設置為f2＝+72MHz，以使得f1+f2＝2MHz，2MHz等於超聲頻率fa(＝2MHz)。可替換地，可以相同的頻率設置將兩個AOM放置在入射光束211的路徑上，而不是參考光束212的路徑上。

超聲器件207發送超聲波，以創建其大小和位置可被先驗確定的聚焦體(focus volume)208。可以輻射脈衝超聲，以實現小的縱向聚焦體。超聲的脈寬可根據聚焦體208的大小和在散射介質209中的超聲波的速度來設置。此外，可使用頻閃輻照，在頻閃輻照中，可使來自光源200的輻照的定時同步，以僅在當超聲脈衝位於將聚焦的位置時的時間段期間輻照介質209。為了將體208設置在介質209中的某位置處，可利用聚焦的超聲。

控制並調整可移動反射鏡203，以使得入射光211進入散射介質209。第一輻照單元可包括包含輻照介質209的光源200的系統，可選地，還可包括控制光源200的輸出的控制器。在散射介質209中，入射光束211被多次散射，該光的某些部分可通過多個散射過程到達超聲聚焦體208，並且在體208的位置處與超聲交互。

作為光與超聲之間交互的結果，超聲聚焦體208可將該光重發射為頻移光。頻移光的至少一部分以及非頻移光被反射回去並且從介質209的、入射光211進入的表面射出。從介質209的表面射出的信號光束被顯示為散射波前210。散射波前210還可從與入射光束211進入的點不同的位置射出。該波前210射入到全息材料206上。

被AOM 204調整為具有與頻移光的頻率相同的頻率的參考光束212可被反射鏡205反射，以照射全息材料206。第二輻照單元可包括輻照全息材料206的系統，諸如反射鏡205。

信號光束(包括交互光和非交互光這二者)與參考光束212之間的幹涉在全息材料206的內部產生幹涉圖。該幹涉圖可主要由兩個成分構成。一個成分是非頻移光與參考光212之間的幹涉。另一成分是頻移光與參考光束212之間的幹涉。

由不同光頻率形成的前一幹涉成分以與施加於超聲器件207的拍頻速度相同的拍頻速度移動。通常，該速度如此快，以至於幹涉條紋被平均化，並且不能被刻寫在全息材料206內部。由相同頻率形成的後一幹涉成分可在全息材料206內部創建靜態幹涉圖案。

帶通濾波器也可用於除去非頻移光並且高效率地聚集頻移光以形成全息圖。例如，Fabry-Perot幹涉計或低溫致冷光譜燒孔晶體可以是合適的。代替全息材料206，陣列傳感器(諸如CCD傳感器或CMOS傳感器)也可用於獲得與幹涉圖案對應的信息。

因此，起源於局部超聲聚焦體208的頻移光可對於在全息材料206中創建靜態全息圖提供主要貢獻。換句話講，與參考光束和頻移光之間的幹涉對應的信息可被記錄在全息材料206中。

由於光的相位共軛可使其軌跡折回，所以該刻寫的波前的相位共軛可傳播回超聲聚焦體208。這意味著作為頻移光的相位共軛的入射光可向回聚焦在散射介質209中的局部體208上。

圖2B顯示用於第二步的布置的說明性示圖，第二步是輻照體208的再現步驟。

如圖2B所示，由光源200發射的光最終作為泵浦光束213在基本上與參考光束212的方向相反的方向上照射全息材料206。可替換地，如第三實施例中所述的，還可利用另一泵浦光光源來代替光源200。在所述信息被記錄在全息材料上之後，第一輻照單元可因此被構造為輻照全息材料，而不通過介質209。泵浦光束213可以是連續波或脈衝波。

該泵浦光在全息材料206內部產生所記錄的波前的相位共軛波210』。相位共軛波210』朝向散射介質209傳播，並且進入介質209。該相位共軛波210』可使其在記錄步驟中經歷的原始軌跡在散射介質209中折回，並且返回到超聲聚焦體208。結果，相位共軛光210』可使該局部體208聚焦。換句話講，全息材料可產生在介質中的所述位置處輻照介質的重構波，並且重構波可包括行進到介質209中的體208的位置的相位共軛波。另外可利用控制器，其控制重構波的強度，以使得重構波的強度不同於用於獲得調製的電磁波210的電磁波211的強度。控制器可調整光的強度，例如，以使得通過使用控制器，重構波變為比用於獲得調製電磁波210的電磁波211的強度弱或強。為了檢測來自介質的信號，可使用光電探測器和/或超聲探測器。探測器可以是使用響應於重構波對介質209的輻照而從介質209輸出的信號來形成層析圖像的圖像形成單元。

超聲聚焦體208的屬性(比如，體大小、形狀、位置)可通過操作超聲器件207及其控制單元(未顯示)來控制。該特徵在實際情況下可能是非常重要的。因此，可能產生能夠折回到在散射介質內部可控的特定局部體的相位共軛波。通過將該實施例應用為在處理多個散射光的成像中的輻照裝置或者方法，可提高輸出圖像的信噪比(SNR)。另外，該實施例可通過使光聚焦在散射介質內部來改進該成像方法的測量深度。輻照方法可應用於各種類型的成像方法和涉及使光集中在散射介質中的其它裝置。可選地，還可將泵浦光束213的能量調整為低於用於創建全息圖的光能。

這裡，散射介質可以是例如生物組織或任何其它混濁介質或無序材料。

全息材料206可以是常規乳液或光折射晶體，所述光折射晶體諸如鈮酸鋰、砷化鎵、BSO(矽酸鉍)、或者例如美國專利No.6,653,421中所述的光折射聚合物。此外，稍後顯示的數字全息技術可以適用。

頻移光的強度可以大得足以創建用於產生相位共軛波的全息圖。該強度取決於介質的位置和散射介質209中的超聲聚焦體208的大小。建立超聲焦點208以便使光聚焦在散射介質209內部深處的可能方式之一可以是從下述狀態開始以形成全息圖，所述狀態為超聲焦點在頻移光相對容易被檢測到的相對淺的區域處。

作為下一步驟，可將超聲焦點208設置在介質中的頻移光仍可被檢測到的稍深一點的點處，即使入射光沒有被充分優化以使光聚焦，但是仍比普通輻照更好地聚焦。一旦新顯現(develop)的全息圖完成，入射的相位共軛波就可聚焦在散射介質中的這個新點上。通過逐步地重複該處理，可使焦點在散射介質中加深。

使超聲焦點加深的另一種方式可以是，以較大的超聲聚焦體(大得足以顯現全息圖)開始，並且逐漸地將超聲聚焦體縮小到預定大小。

此外，在醫學應用中，例如為了使用該實施例使異常組織區域成像(監測)或者治療異常組織區域，可通過使用由其它模態(諸如X射線、MRI、超聲或任何其它診斷結果)提供的先驗信息來將超聲焦點設置在異常區域。

以下將對根據本發明的第一實施例的輻照裝置和方法進行描述。圖3A和圖3B分別是示出記錄步驟(圖3A)和再現步驟(圖3B)的示例性構造的示意圖。

第一實施例包括聲光成像技術。雷射器300發射初始光，該初始光在圖3A中被分束器301分離為入射光束314和參考光束315。入射光束314和參考光束315分別進入AOM 302和AOM 305。這兩個AOM的頻率通常為50MHz到80MHz，並且略微相差等於施加於超聲系統311的頻率的量，該量的範圍為大約1兆赫到幾十兆赫。這些AOM的作用可以與上述相同。

透鏡系統303控制入射光314的束大小，可移動反射鏡304控制散射介質312的表面上的入射點。一旦入射光束314進入散射介質312，光就在介質312內部經歷多個散射過程。

預先操作與介質312聲學匹配的超聲系統311，以在散射介質312的某位置處形成大小通常為幾mm的聚焦體313。超聲系統311包括例如線性陣列探頭。因此，可通過使用陣列探頭進行電子聚焦來在散射介質312中的任何位置處產生超聲聚焦體313。可替換地，可通過機械地掃描超聲換能器來在所需位置處提供超聲聚焦體313，所述超聲換能器包括凹口球形超聲換能器或者包括聲學透鏡的換能器。作為這樣的換能器，可利用使用壓電現象的換能器、使用光共振的換能器或者使用電容變化的換能器。

入射光束314的至少一部分可到達超聲聚焦體313，並且在那與超聲交互。一些交互光可反射回來，以作為頻移光316從散射介質312射出。透鏡系統310將射出的散射光聚集到動態全息器件307(諸如光折射晶體)上。

例如，光折射晶體可以是鈮酸鋰，其大小範圍為幾毫米到幾釐米，其厚度大於幾百微米，以便獲得足夠的衍射效率。

具有與頻移光316相同頻率的參考光束315通過反射鏡306照射光折射晶體307，以使得參考光與頻移光316發生幹涉。因此，頻移光的波前可在光折射晶體307中被記錄為靜態折射率光柵。

在全息圖創建之後參考光束315隨後在光折射晶體307上的照射充當前向泵浦光。前向泵浦光束315被光折射晶體307內部創建的折射率光柵衍射。該衍射光和透射通過光折射晶體307的頻移光316彼此幹涉，並且可通過聚光透鏡系統308被光電探測器309檢測到，例如，如美國專利申請No.2008/0037367中所公開的那樣。關於光電探測器309，可使用單傳感器，諸如光電倍增管(PMT)或雪崩式光電二極體(APD)。可替換地，可使用多傳感器，諸如CCD或CMOS。光電探測器309可用於監測全息材料。

隨著形成全息圖，光電探測器309的輸出可增大。在全息圖創建之後，該輸出信號不增大。因此，通過監測該輸出信號，可確認光折射晶體307內部的全息圖的創建。

同時，可移動反射鏡304改變其角度，以使得入射光束317基本上在與圖3B中的前向泵浦光束315的方向相反的方向上進入光折射晶體307。該入射光束317充當反向泵浦光，並且產生在光折射晶體307中的刻寫的波前的相位共軛(相位共軛波)。該相位共軛束318傳播通過透鏡系統310，進入散射介質312。

由於相位共軛束318可使其軌跡折回到散射介質312中的超聲聚焦體313，所以越來越多的光可進入該超聲聚焦體313，並且與超聲交互。因此，更多的頻移光316從該局部體313重新發射，並且通過圖3B中的光折射晶體307與透鏡系統308、310和光電探測器309被檢測到。結果，可提高作為用於聲光成像的信號的頻移光的強度。

在以上整個測量處理期間，可能的是，超聲系統311可繼續發送超聲波以形成聚焦體313，並且光束315可繼續作為參考光以及前向泵浦光照射光折射晶體307。同時，反向泵浦光束317可在與泵浦光315相反的方向上照射光折射晶體307，以產生相位共軛束318。

在這種類型的動態全息方法中，在光折射晶體307中刻寫的全息圖自適應地跟隨其頻移波前的改變。該自適應改變的全息圖可幫助由反向泵浦光317產生的相位共軛束318(具有相位共軛波)以使該光在稍微改變的散射環境下聚焦在介質312中。尤其是在生物組織的情況下，主要由於生物行為，而導致散射環境(包括散射體的位置)隨時間推進而改變。由於再現步驟中的頻移光的波前可能與記錄步驟中的波前不同，所以該動態全息圖方法由於自適應性對於產生這種介質中的相位共軛是有效的。

可臨到圖3A中的入射光束314或相位共軛光束318進入散射介質(圖3A和圖3B中未顯示)之前監測並調整圖3A中的入射光束314或相位共軛光束318的功率。可控制雷射器300的功率，以使得輸入功率大得足以獲得足夠的頻移光，以便顯現可通過來自光電探測器309的輸出信號確認的全息圖，而當散射介質為生物活組織時，為了安全起見，保持該功率低於最大曝光量。

另外，該系統可在記錄處理與再現處理之間改變光的強度。例如，首先，可注入相對強的光強度，以獲得足以創建全息圖的頻移光316。接著，在再現步驟，可使用相對減小的強度作為反向泵浦光束317以產生相位共軛束318，以便節省功耗，同時由於聚焦效應而保持足夠的SNR(信噪比)。

此外，散射介質312內部的超聲聚焦體313可被掃描，並且該體的每個位置可依次經受以上處理，從而如例如美國專利No.6,957,096中所述的那樣獲得介質312中的光學屬性分布，諸如吸收和散射。圖像產生單元(未顯示)可根據各個聚焦體313的位置映射這些光學屬性，以獲得這些光學屬性的三維空間分布。光電探測器可用於檢測響應於重構波的輻照而從介質輸出的信號。

此外，上述處理可使用雷射源300的多個所需波長來執行，並且可以可選地改變光折射晶體307以獲得機能信息，諸如散射介質312的組分(比如，氧血紅蛋白、去氧血紅蛋白、水、脂肪、膠原)的比例和介質312的氧飽和指數(諸如當散射介質312為用於醫學應用的生物組織時)。以下文獻的全文內容通過引用以如同充分、完整闡述的方式併入本文：於2004年5月18日授權的Sfez等人的美國專利No.6,738,653和於2008年2月14日公開的Gross等人的美國專利申請公開No.2008/0037367。

現在將對根據本發明的第二實施例的輻照裝置和方法進行描述。本實施例中的成像系統的構造與圖3A和圖3B中所示的第一實施例中的成像系統的構造相同，除了在散射介質312周圍添加光電探測器(未顯示)之外。第二實施例中的成像系統包括稱為擴散光學斷層成像(DOT)的技術。

所述流程也可與第一實施例中的流程相同，直到在光折射晶體307中顯現全息圖為止。一旦已在光折射晶體307中創建全息圖，反向泵浦光束317就照射光折射晶體307，以產生相位共軛束(包括相位共軛波)318。此刻，可關閉超聲系統311來執行DOT測量。

在該相位共軛束318進入散射介質312之後，它可折回到超聲聚焦體313，而且折回到原始入射點。充分地放置在散射介質312周圍的光電探測器可檢測存在的散射光。在利用DOT中所使用的技術時，可通過控制超聲聚焦體313的位置來限制或減少散射介質312內部的光路。因此，該成像系統可用於減小不適定性(ill-posedness)，不適定性是DOT中的問題之一。如實施例中所述的，當光聚焦在散射介質中的某位置處時，分析響應於聚焦的輻照而從介質輸出的信號可變得更容易。

通過以不同的入射光點重複以上測量處理，所述系統可收集數據以重構光學屬性(諸如吸收光學屬性)的內部分布的圖像，如在DOT中一樣。圖像形成系統(未顯示)基於測量數據重構這些圖像，以獲得介質312內部的吸收和散射屬性分布的三維圖像。

還可以的是，如第一實施例中那樣，在多個波長上執行測量以獲得光譜信息，從而提取生物組織的機能信息。

這裡，可通過在輻照步驟使用脈衝雷射器以及時間相關光子計數系統(未顯示)來執行時域測量，或者可通過對雷射器300輸出以及例如鎖定檢測系統(未顯示)的強度進行調製來執行頻域測量。以下文獻的全部內容通過引用以如同本文充分、完整闡述的方式併入本文：於1995年8月15日授權的Tsuchiya的美國專利No.5,441,054；於1995年12月19日授權的Tsuchiya的美國專利No.5,477,051；於1996年5月21日授權的Tsuchiya的美國專利No.5,517,987；於1995年6月13日授權的Tromberg等人的美國專利No.5,424,843。

將對根據本發明的第三實施例的輻照裝置和方法進行描述。圖4是示出具有根據實施例的輻照裝置的成像系統的示例性構造的示意圖。本實施例的系統可包括兩個組合系統，這兩個組合系統為聲光成像系統和光聲成像系統。

雷射源400(作為第一輻照單元的一部分的第一電磁波源)發射初始光，該光被分束器401分離為入射光束415和參考光束416。AOM 402和AOM 405具有與以上已經描述的調整頻率的作用相同的作用。入射光束415通過光學系統406進入散射介質409。

可與介質409聲學匹配的、包括超聲器件的超聲系統407以超聲聚焦體408的大小和位置在散射介質409內部的方式控制超聲聚焦體408。起源於局部體408的頻移光417的至少一部分從散射介質409射出，並且射入到光折射器件410上，以通過與從反射鏡403和404(作為第二輻照單元的一部分)反射的參考光束416發生幹涉來創建全息圖。

在光折射器件410內部創建全息圖期間，光電探測器412可通過聚光透鏡系統411監測聲光信號418(其為頻移光)，以與如以上在第一實施例中所述的方式相同的方式確認顯現。此時，該頻移光信號被存儲到存儲器(未顯示)中，以用於重構圖像。

一旦全息圖的創建完成，包括用於光聲成像的脈衝雷射源414(第二電磁波源)的第三輻照單元發射幾納秒的脈衝光。脈衝光基本上在參考光束416的相反方向上照射光折射器件410，以產生在光折射器件410中刻寫的頻移波前的相位共軛。相位共軛束(包括相位共軛波)419反向傳播到散射介質409。

超聲系統407可將其工作模式從發送模式變為接收模式以便檢測光聲信號，而不改變用於發送模式的聚焦設置。

由於入射相位共軛束419可使軌跡折回到散射介質409中的局部體409，所以該入射光束419可聚焦在局部體408處，局部體408是用於光聲成像的測量體。

局部體408中吸收的光能局部地引起溫度升高，從而導致該局部區域的體擴大，並且產生聲波(光聲信號)。根據方程(1)，光聲信號P與該點處的局部吸收係數μa和光輻射能流率(light fluence rate)Φ成比例。

P＝ΓμaΦ (1)

其中，Γ是Grueneisen係數(熱-聲轉換效率)。

因此，更高輻射能流率產生更大的光聲信號。由於入射相位共軛束419可使光聚焦在局部體408處，所以從該局部體408產生更大的光聲信號。被設置為在接收模式下聚焦該體408的超聲系統407檢測起源於該體408的光聲信號。可替換地或者另外，可提供另一超聲探測器，以檢測響應於重構波419的輻照而從介質409輸出的信號。

圖5顯示該系統的示例性操作流程。首先，在S500，設置關於超聲系統407的聚焦的參數條件，諸如聚焦體的大小或位置，然後，超聲系統407發送脈衝超聲波，以形成超聲聚焦體408。在S501，雷射器400輻射初始光束。

在S502，通過聲光成像，光探測器412監測聲光信號(頻移光)，並且在S503，光電探測器412確認全息圖的創建是否完成。可重複S502和S503中的這些處理，直到確認全息圖的創建為止。另外，在完成全息圖之後移到S504之前，可存儲聲光信號。

一旦全息圖顯現，就在S504，關閉雷射器400，並且將超聲系統407的工作模式從發送模式變為接收模式。此後，在S505，雷射器414基本上在參考光束416的相反方向上將脈衝光束輻射到光折射器件410，以產生相位共軛光束419。在S506，超聲系統407檢測光聲信號。

這是示例性基本操作流程，如果需要改變用於光聲成像的測量位置，則超聲系統可改變其聚焦位置，並且返回到S500，重複整個流程(S500至S506)。

圖像產生處理可在測量之後。圖像產生單元(未顯示)可通過使用以上數據來重構三維圖像。圖像產生單元根據超聲聚焦體408的位置來映射通過光聲測量獲得的吸收信號。此時，讀取在S503存儲的聲光信號，並且使用該聲光信號來以相同的方式產生散射分布圖像。由於光聲圖像對吸收敏感，而聲光圖像對散射敏感，所以通過組合這兩個測量結果，可產生吸收和散射分布圖像。

此外，可在S500之前增加一個附加的步驟。也就是說，可從超聲系統407發送脈衝超聲波，並且超聲系統407可接收用作反射波的超聲回波。可在相對於散射介質409改變發送脈衝超聲波的方向的同時執行該超聲回波測量，從而獲得關於散射介質409內部的結構數據。可通過利用通過超聲回波測量而獲得的結構數據，例如，通過設置在回波圖像中可看到特性差異的位置處，來設置超聲聚焦體408。

可替換地，可通過分析在S503獲得並且存儲的聲光信號來選擇光聲成像的測量點。首先，可使用聲光成像系統來找到將被光聲系統測量的區域。如果在聲光信號中找到明顯改變，則用於光聲成像的雷射器414發射脈衝光。或者還可能的是，使用光聲成像系統來搜索特性區域，而不是在決定超聲聚焦體408之前使用聲光成像系統。

本實施例的成像系統還可通過圖3A和圖3B中所示的構造來實現。在這種情況下，光源單元300可從至少兩個不同雷射器發射光。一個可以是用於聲光系統的雷射器，另一個可以是用於光聲系統的脈衝雷射器。雷射器可在記錄步驟與再現步驟之間從一個切換到另一個。

通過使光聚焦在光聲成像的測量體，可提高光聲成像的測量深度和SNR。以下文獻的全部內容通過引用以如同充分、完整闡述的方式併入本文：於1983年5月31日授權的Bowen的美國專利No.4,385,634、於1998年11月24日授權的Oraevsky等人的美國專利No.5,840,023、和於1998年2月3日授權的Kruger的美國專利No.5,713,356。可實現包括兩個組合系統(其為聲光成像系統和光聲成像系統)的成像系統來獲得更清晰的圖像或者對於診斷有用的圖像。

將對根據本發明的第四實施例的輻照裝置和方法進行描述。圖6是示出將光遞送到無序散射材料中的特定位置中的光輻照裝置的示例性構造的示意圖。

包括雷射源600的輻照器發射初始光，該初始光被分束器601分離為入射光束616和參考光束617。透鏡系統606擴展入射光束616，以輻照材料607。可將AOM 603和604以及反射鏡602和613放置在參考光束617的路徑上，以使得參考光的頻率是可調整的。

包括超聲系統609的調製器可與材料609聲學匹配，並且輻照超聲波。超聲系統609使超聲聚焦體608形成在材料607中。

如以上已經所述的，起源於聚焦體608的一些頻移光619從材料607的表面射出，並且通過透鏡系統610和二向色反射鏡611被引向包括CCD傳感器612的探測器。這裡，具有圖像增強器的CMOS傳感器或區域傳感器或者EMCCD(電子倍增CCD)也可適用。參考光束617被反射鏡605反射，最終到達CCD 612，以創建全息圖，該全息圖基於在CCD 612上的參考光束617與頻移光619之間的幹涉。

在該系統中提供處理單元(未顯示)。該處理單元控制包括空間光調製器(SLM)614(諸如，矽上液晶(LCOS))的產生器，以便通過利用數字全息技術來產生可等效於相位共軛(相位共軛波)的重構光。

頻移光的幹涉圖可通過相移數字全息技術來獲得。在CCD 612平面，非頻移光、頻移光和參考光射入。例如根據以下方程通過調整AOM 603和604來調整參考光的頻率(fR)。

fR＝fU+fA+fC/N (2)

其中，fU是未偏移光的頻率，fA是超聲的頻率，fC是CCD 612的幀率，N是用於相移法的測量數量。由於CCD 612充當低通濾波器，所以主要是頻移光619與參考光束617之間的幹涉圖的成分承載條紋，該成分隨時間緩慢變化，以使得CCD 612可高效率地檢測幹涉圖(數字全息圖)。

相位分布通過用相移法從數字全息圖計算在每個像素上檢測到的頻移光的相位來獲得。處理單元根據通過數字全息圖獲得的相位分布來在SLM 614中設置每個像素的相位值。此時，CCD 612與SLM614之間的光學長度的差異或者任何其它系統誤差可被校準，並且相位值可被校正。可替換地，CCD 612和SLM 614可被布置為使得從材料607的射出面到這些器件的光學長度相同。

SLM 614對雷射器615發射的光的相位進行調製。該相位調製顯現重構光束618，該重構光束618可以等效於相位共軛，並且可使軌跡折回到材料607中的超聲聚焦體608。通過SLM 614顯現的重構光束618被構造為輻照材料607。在所述裝置可用於在材料內部創建圖像的情況下，如已經在其它實施例中所述的，由重構光束618輻照材料而導致的從該材料輸出的信號可被檢測到以形成圖像。

如果與SLM 614相比CCD 612具有更多像素，則CCD 612可執行像素合併(binning)，以使得它們之間的像素的數量相等，並且這些像素彼此對應。

此外，可應用數字全息技術中所使用的任何其它數位技術來改進重構光的特性。

在第四實施例中所述的輻照裝置還可應用於生物組織中的治療或處治，諸如光動力治療。第五實施例中的系統構造可以與圖6中所示的系統構造相同。

一旦已獲得數字全息圖並且SLM 614已經準備好根據數字全息圖進行相位調製，雷射器615就可發出具有與由雷射器600發射的用於創建數字全息圖的光相比相對強的功率的光。雷射器615的光功率可根據處治來控制。

此外，根據治療或處治的目的，可應用許多類型的雷射器(比如，飛秒脈衝到皮秒、毫微秒、微秒等)。

用於治療的、其相位可由SLM 614控制的重構光束618可到達超聲聚焦體608，以將光能遞送到需要處治的那個組織區域。超聲聚焦體608的位置可通過參照其它診斷結果來設置。

通過使用根據本發明的實施例，可以高效率地、以較小的損傷將高能量密度的光遞送到特定點。

所述實施例還可應用於螢光成像，螢光成像例如通過將超聲聚焦體設置到螢光探頭所在的點來使用化學探頭(分子)以獲得生物化學信息(諸如組織的異常)。用於其輻照的再現步驟可以與以上已經所述的再現步驟相同。如果化學探頭的位置不確定，則可簡單地掃描超聲聚焦體，以一次一個位置的方式輻照散射介質內部。通過使光聚焦在螢光探頭所在的位置處，可獲得目標(例如，腫瘤)的高對比度圖像。

如已經所述的，根據本發明的實施例可應用於各種用於使光集中在散射介質內部的可控的特定點處的目的的光學成像或治療或裝置。

儘管已參照示例性實施例對根據本發明的實施例進行了描述，但是應該理解本發明不限於上述實施例。應該給予權利要求的範圍以最廣泛的解釋以涵蓋所有這樣的修改以及等同的結構和功能。